DE10163089C1 - Motorspindel mit Stellelement - Google Patents
Motorspindel mit StellelementInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Motorspindel 1 mit einer Spindelwelle 2 zur Aufnahme eines Werkzeugs 6, wobei die Spindelwelle 2 im Gehäuse 3 der Motorspindel 1 in einer Festlagerung 4 und einer Loslagerung 5 mit einer axial verschiebbaren Lagerbüchse 12 aufgenommen ist, das aufgenommene Werkzeug 6 das bearbeitete Werkstück 7 bei angetriebener Spindelwelle 2 an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert und ein Stellelement zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse 12 der Motorspindel 1 vorgesehen ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Motorspindel mit einer Spindelwelle zur
Aufnahme eines Werkzeugs mit den weiteren Merkmalen des Ober
begriffs des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Ver
fahren zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse
der Loslagerung einer Motorspindel mit einer Spindelwelle.
Als Stand der Technik ist aus der
101 23 717 A1 (Anmelder: Paul Müller GmbH & Co. KG Unterneh
mensbeteiligungen) eine Motorspindeln mit Werkzeugen bekannt, die
zur Bearbeitung von Werkstücken insbesondere mit automatisiertem
Werkzeug- oder Werkstückwechsel eingesetzt wird. Die Welle einer
derartigen Motorspindel kann eine Festlagerung und eine Loslage
rung besitzen, wobei die Loslagerung in einer axial verschiebbaren
Lagerbüchse aufgenommen sein kann.
Als Stand der Technik ist ferner aus der DE 34 48 382 C2 ein Positionierantrieb
für eine Werkzeugmaschine bekannt, der eine erste von einem Positioniermotor
drehantreibbare Teilwelle mit einer ersten Teilschnecke und eine zweite
Teilwelle mit einer zweiten Teilschnecke aufweist, wobei die zweite Teilwelle
zur ersten Teilwelle koaxial und dazu axial beweglich und radial unbeweglich
geführt ist. Ferner ist eine Positioniersteuerung zur Steuerung des
Positioniermotors vorgesehen, wobei mit der Positioniersteuerung eine
Steuerung für ein Druckmedium vorgesehen ist, welches zur Beaufschlagung
eines Plungers zur Einstellung der axialen Vorspannung der ersten Teilwelle
dient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motorspindel sowie ein
Verfahren anzubieten, bei denen die Lagerung an unterschiedliche
Betriebsbedingungen angepaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird für die Motorspindel durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Motorspindel werden in den Unteransprüchen 2-11 beschrie
ben. Für das Verfahren wird die Aufgabe durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 10 beschrieben. Vor
teilhafte Verfahrensvarianten finden sich in den Unteransprüchen 13
-15.
Die erfindungsgemäße Motorspindel besitzt ein Stellelement zur Ein
stellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse und damit der
Steifigkeit der Motorspindel. Die Steifigkeit einer Motorspindel ist ein
Maß für die Belastbarkeit gegenüber auftretenden Reaktionskräften
der Motorspindel bei der Werkstückbearbeitung. Generell ist bei der
Bearbeitung des Werkstücks eine erhöhte Steifigkeit zur Erzielung
geringer Bearbeitungstoleranzen wünschenswert. Beim Heranfahren
der Motorspindel im Eilgang z. B. nach einem erfolgten Werkstück
wechsel und einer Kontaktierung des Werkstücks durch das Werk
zeug kann eine verminderte Steifigkeit zur Abdämpfung des Kontakt
stoßes zwischen Werkzeug und Werkstück wünschenswert sein. Er
findungsgemäß dient das Stellelement zur jeweils günstigen Einstel
lung der Steifigkeit abhängig vom Betriebszustand der Motorspindel.
In einer ersten Ausführungsform kann das Stellelement einen Kolben
aufweisen, wobei ein Zylinder zur Betätigung des Kolbens vorgese
hen sein kann. Dabei kann das Stellelement auf die Lagerung der
Motorspindel, insbesondere auf die Loslagerung, wirken und zur Er
höhung der Steifigkeit (Vorspannung) eine in axialer Richtung der
Welle wirkende Gegenkraft in die Motorspindel einleiten. Bei Einlei
tung einer erhöhten Gegenkraft wird die Steifigkeit der Spindelwelle
erhöht und bei Einleitung einer verminderter Gegenkraft die Steifig
keit vermindert, wie dies z. B. beim Werkstückwechsel von Vorteil
sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Stell
element ein aufweitbares Ringelement aufweisen, das ebenfalls im
Bereich der Loslagerung der Motorspindel angebracht sein kann. Bei
Verwendung einer an sich bekannten Lagerbüchse zur Realisierung
der Loslagerung kann die axiale Beweglichkeit der Lagerbüchse
durch Reibungskräfte des Ringelements verändert werden. Je nach
Aufweitungsgrad kann das Ringelement erhöhte oder verringerte
Reibkräfte erzeugen, welche die axiale Bewegung der Lagerbüchse
erleichtern oder erschweren, wodurch die axiale Steifigkeit (Vorspan
nung) der Motorspindel vermindert oder erhöht wird.
Das Stellelement kann auf an sich bekannte Art und Weise betätigt
werden, also z. B. pneumatisch oder hydraulisch.
Um die Nebenzeiten beim Werkzeug- oder Werkstückwechsel zu
vermindern, werden Vorschub und im Zusammenhang mit dem
Werkstückwechsel stehende Bewegungen der Motorspindel in einem
Eilgang mit erhöhter Geschwindigkeit ausgeführt. Wenn sich Werk
zeug und Werkstück wieder im Eingriff befinden, muß ein Arbeits
gang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden.
Erfindungsgemäß wird nun angestrebt, einen möglichst großen Anteil
der Nebenzeiten beim Werkstückwechsel im Eilgang durchzuführen
und erst zu einem möglichst späten Zeitpunkt wieder auf den Ar
beitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umzustellen.
Hierzu besitzt die Motorspindel vorteilhafterweise einen Wegsensor
zur Ermittlung des Zeitpunkts der Kontaktierung des Werkzeugs mit
dem Werkstück. Nach einem erfolgten Werkzeug- oder Werkstück
wechsel werden Werkzeug und Werkstück aneinander herangefah
ren, und zwar im Eilgang. Erst dann, wenn der erfindungsgemäße
Wegsensor eine stoßartige Wegänderung der Welle und damit der
Lagerbüchse feststellt, wird von der Motorspindel detektiert, daß das
Werkzeug das Werkzeug kontaktiert hat und es wird vom Eilgang mit
erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf den Arbeitsgang mit geringe
rer Vorschubgeschwindigkeit zur Bearbeitung des Werkstücks um
geschaltet. Der Wegsensor ermöglicht damit die Ermittlung des Um
schaltzeitpunkts von Eilgang auf Arbeitsgang. Eine zu frühe Umstel
lung vom Eilgang auf den Arbeitsgang und eine damit verbundene
unerwünschte Erhöhung der Nebenzeiten wird vermieden.
Vorteilhafterweise wird ein an sich bekanntes Vorschubelement, wel
ches zur Ausrichtung und zur Vorschubbewegung (hin bzw. weg vom
Werkstück) dient, verwendet. In diesem Vorschubelement kann min
destens ein Eilgang zur beschleunigten Bewegung des Werkzeugs
gegenüber dem Werkstück und mindestens ein Arbeitsgang zur ver
langsamten Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück
eingestellt werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung der axialen Ver
schiebbarkeit der Lagerbüchse der Loslagerung einer Motorspindel
mit einer Spindelwelle wird die axiale Verschiebbarkeit der Lager
büchse der Motorspindel zur Anpassung an unterschiedliche Be
triebsbedingungen über ein Stellelement eingestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird über einen Weg
sensor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktierung des
Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem Eilgang
mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf einen Arbeitsgang mit
verminderter Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet.
Zur Steuerung der Vorschubbewegung des Werkzeugs wird über ei
nen Wegsensor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktie
rung des Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem
Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit (nach dem Werk
stückwechsel eingestellt wird) auf einen Arbeitsgang mit verminderter
Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet. Durch den Wegsensor wird
der Zeitpunkt einer Umschaltung vom Eilvorschub auf den Arbeits
vorschub ermittelt, so daß eine zu frühe Umschaltung und damit eine
unerwünschte Erhöhung der Nebenzeiten beim Werkzeugwechsel
vermieden wird.
Vorteilhafterweise wird beim Heranfahren des (neuen) Werkzeugs an
das zu bearbeitende Werkstück die Steifigkeit der Spindelwelle der
Motorspindel vermindert, um ein schonendes Kontaktieren des
Werkstücks durch das Werkzeug zu ermöglichen. Nach erfolgter
Kontaktierung von Werkzeug und Werkstück kann die Steifigkeit zur
Verringerung von Bearbeitungstoleranzen bei der Bearbeitung des
Werkstücks wieder erhöht werden.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Verwendung eines an sich be
kannten Wegsensors in einer beschriebenen Maschinenspindel zur
Erfassung des Zeitpunkts der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem
Werkstück vorgeschlagen um bei Kontaktierung von einem Eilgang
mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit (der während des bereits be
schriebenen Werkzeug- oder Werkstückwechsels eingestellt wird)
auf einen Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit
umzuschalten.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeich
nungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer ersten
Ausführungsform eines Stellelements,
Fig. 2 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer zweiten
Ausführungsform eines Stellelements sowie
Fig. 3 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer dritten
Ausführungsform eines Stellelements.
Fig. 1 zeigt eine Motorspindel 1 im Längsschnitt mit einer Spindelwel
le 2 und einem Gehäuse 3. Die Spindelwelle 2 wird über den an sich
bekannten Antrieb 11 angetrieben. Ferner ist die Spindelwelle 2 in
einer Festlagerung 4 und einer Loslagerung 5 im Gehäuse 3 aufge
nommen. Dabei sind Festlagerung 4 und Loslagerung 5 über eine
kraftbeaufschlagte Lagerbüchse 12 gegeneinander vorgespannt. Die
Kraftbeaufschlagung der Lagerbüchse 12 kann durch ein Federele
ment 13, hydraulisch, pneumatisch und/oder magnetisch erfolgen.
An der Spindelwelle 2 ist in einem schematisch dargestellten Spann
system 14 das Werkzeug 6 (z. B. eine Topfschleifscheibe) aufge
nommen, welche sich im Eingriff mit dem Werkstück 7 (z. B. einer Si
liziumoberfläche) befindet.
Aus Fig. 1 geht ein als Kolben 9 ausgebildetes Stellelement hervor.
Der Kolben 9 ist in einem Zylinder 17 z. B. mit einer Flüssigkeit 18
aufgenommen. Durch Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit 18 kann
der Kolben 9 entgegen Richtung 15 verschoben werden, wobei über
ein mit der Lagerbüchse 12 verbundenes Übertragungselement 19
des Kolbens 9 eine axiale Kraft entgegen Richtung 15 in die Lager
büchse 12 und damit in die Loslagerung 5 der Motorspindel 1 einge
leitet wird. Hierdurch wird die axiale Steifigkeit (Vorspannung) der
Motorspindel 1 erhöht.
Durch Druckabbau im Zylinder 17 kann in entgegengesetzter Wir
kungsweise die axiale Steifigkeit der Motorspindel 1 für die bereits
beschriebene Anwendungsfälle vermindert werden. Der Zylinder 17
kann über ein Ventil 20 mit einer allgemein dargestellten und an sich
bekannten Steuerung 21 sowie einer Druckquelle 22 verbunden sein.
Fig. 2 zeigt ein Stellelement nach Fig. 1, wobei die Flüssigkeit 18
elektro- oder magnetorheologisch ist, und durch Beaufschlagung mit
sich ändernden elektrischen oder magnetischen Feldern z. B. einer
Spule 28 ihre Viskosität verändert. Der Zylinder 17 ist über eine Ver
bindung 26 mit einem Behälter 27 verbunden. Bei Änderung der Vis
kosität der Flüssigkeit 18 ändert sich deren Fließverhalten und damit
die Verschiebbarkeit des Kolbens 9 und des Stellelements.
Beim Werkstückwechsel wird die Motorspindel 1 in Richtung 15 über
das an sich bekannte Vorschubelement (nicht näher abgebildet) vom
Werkstück 7 entfernt und es kann das Werkstück 7 entnommen und
ein neues Werkstück 7 eingelegt werden. Danach wird die Motor
spindel 1 entgegen Richtung 15 wieder in Richtung des Werkstücks
7 bewegt. Wenn die Kontaktierung des Werkzeugs 6 mit dem neuen
Werkstück 7 auftritt, also der in Fig. 1, 2 und 3 abgebildete Zustand,
wird diese stoßartige Belastung der Spindelwelle 2 durch den Weg
sensor 8 erfaßt.
Der Wegsensor 8 ermittelt eine stoßartige Belastung der Spindelwel
le 2 in axialer Richtung (parallel zur Richtung 15). Dabei kann der
Wegsensor 8 einen Abstand zu einer Bezugsfläche 16 der an sich
bekannten Lagerbüchse 12 der Loslagerung 5 überwachen. Nach
Detektion der stoßartigen Belastung der Spindelwelle 2 in axialer
Richtung 15 wird der Vorschub der Motorspindel 1 entgegen Rich
tung 15 vom Eilgang auf den Arbeitsgang umgeschaltet. Der Weg
sensor 8 ist hierbei auf an sich bekannte und nicht näher abgebildete
Weise mit einem Element zur Steuerung des Vorschubelements ver
bunden.
Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Realisierung des Stellelements
als aufweitbares (elastisches) Ringelement 10, welches umlaufend
eine Innenfläche 23 des Gehäuses 3 der Motorspindel 1 kontaktiert.
Der Wegsensor 8 ist dabei nicht näher abgebildet, kann jedoch ana
log zur Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehen sein. Ferner ist das
Ringelement 10 in der Lagerbüchse 12 aufgenommen und wird über
eine Zuführung 24 derart druckbeaufschlagt, daß eine Aufweitung
des Ringelements 10 in Richtung 25 stattfindet, wodurch das Ring
element 10 an die Innenfläche 23 angepreßt wird und damit zwi
schen Innenfläche 23 und Ringelement 10 Reibkräfte auftreten, wel
che ein Verschieben der Lagerbüchse 12 in oder entgegen Richtung
15 erschweren.
Bei Druckabbau in der Zuführung 24 über eine Steuerung 21 sowie
einer Druckquelle 22 vermindern sich die Reibkräfte zwischen Ring
element 10 und Innenfläche 23. Damit kann sich die Lagerbüchse 12
leichter bewegen.
1
Motorspindel
2
Spindelwelle
3
Gehäuse
4
Festlagerung
5
Loslagerung
6
Werkzeug
7
Werkstück
8
Wegsensor
9
Kolben
10
Ringelement
11
Antrieb
12
Lagerbüchse
13
Federelement
14
Spannsystem
15
Richtung
16
Bezugsfläche
17
Zylinder
18
Flüssigkeit
19
Übertragungselement
20
Ventil
21
Steuerung
22
Druckquelle
23
Innenfläche
24
Zuführung
25
Richtung
26
Verbindung
27
Behälter
28
Spule
Claims (15)
1. Motorspindel mit einer Spindelwelle zur Aufnahme eines Werk
zeugs, wobei die Spindelwelle im Gehäuse der Motorspindel in
einer Festlagerung und einer Loslagerung mit einer axial ver
schiebbaren Lagerbüchse aufgenommen ist und das aufge
nommene Werkzeug das bearbeitete Werkstück bei angetrie
bener Spindelwelle an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellelement zur
Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse (12)
der Motorspindel (1) vorgesehen ist.
2. Motorspindel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement ei
nen Kolben (9) aufweist.
3. Motorspindel nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinder (17) zur
Betätigung des Kolben (9) vorgesehen ist.
4. Motorspindel nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (17) mit
einer elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssig
keit (18) gefüllt ist.
5. Motorspindel nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (28) zur
Veränderung der Viskosität der Flüssigkeit (18) vorgesehen ist.
6. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement ein
aufweitbares Ringelement (10) aufweist.
7. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement
pneumatisch betätigbar ist.
8. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement hy
draulisch betätigbar ist.
9. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorschubele
ment zur Erzeugung einer relativen Bewegung zwischen dem
Werkzeug (6) und dem bearbeiteten Werkstück (7) vorgesehen
ist.
10. Motorspindel nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Vorschubele
ment mindestens einen Eilgang zur beschleunigten Bewegung
des Werkzeugs (6) gegenüber dem Werkstück (7) und mindes
tens einen Arbeitsgang zur verlangsamten Bewegung des
Werkzeugs (6) gegenüber dem Werkstück (7) aufweist.
11. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-10,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegsensor (8)
zur Ermittlung des Zeitpunktes der Kontaktierung des Werk
zeugs (6) mit dem Werkstück (7) bei einem Werkzeugwechsel
vorgesehen ist.
12. Verfahren zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der La
gerbüchse der Loslagerung einer Motorspindel mit einer Spin
delwelle, insbesondere einer Motorspindel nach einem der An
sprüche 1-11,
dadurch gekennzeichnet, die axiale Verschiebbar
keit der Lagerbüchse der Motorspindel über ein Stellelement
eingestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß über einen Wegsen
sor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktierung
des Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem
Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf einen Ar
beitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit
umgeschaltet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, daß während des Heran
fahrens des Werkzeugs an das Werkstück in einem Eilgang die
Steifigkeit der Spindelwelle der Motorspindel vermindert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit der
Spindelwelle der Motorspindel bei Kontaktierung des herange
fahrenen Werkzeugs mit dem Werkstück erhöht wird.
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